इलेक्ट्रॉनिक असेंबली: विद्युरासायनिक प्रवासन एक जोखिम कारक
विद्युरासायनिक प्रवासन की मूल बातें और क्रियाविधियों का एक संक्षिप्त अवलोकन
विफलता का कारणविद्युरासायनिक प्रवासन
इलेक्ट्रॉनिक्स में विद्युरासायनिक प्रवासन (ECM) असेंबली की विश्वसनीयता को गंभीर रूप से प्रभावित कर सकता है — अक्सर यह जलवायु-आधारित विफलताओं के कारण होता है। यह प्रवासन विद्युत क्षेत्र और नमी की उपस्थिति में धातु आयनों की गति के कारण होता है।
इस प्रक्रिया से अस्थायी खराबियाँ या स्थायी शॉर्ट सर्किट हो सकते हैं, और चरम स्थितियों में यह अत्यधिक गर्म होने या आग लगने का कारण भी बन सकता है।
विद्युरासायनिक प्रवासन को समझनाइसकी उत्पत्ति की स्थितियाँ
विद्युरासायनिक प्रवासन (Electrochemical Migration) मुख्य रूप से नमी की उपस्थिति में होता है, जो जंग (corrosion) को बढ़ावा देती है। यह सतह पर मौजूद नमी की पतली परतों या ओस (dew) के जमने के माध्यम से होता है – इसमें प्रयुक्त सामग्री और संभावित अशुद्धियाँ (contaminants) एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं।
नमी परतों के बनने के लिए आवश्यक सापेक्ष आर्द्रता (critical humidity) सतह की ऊर्जा और ध्रुवीयता (polarity) पर निर्भर करती है – यानी उस सामग्री पर, विशेष रूप से सोल्डर मास्क पर। यह महत्वपूर्ण सीमा बिंदु कभी-कभी ओस बिंदु (dew point) से भी नीचे की आर्द्रता पर पहुँच सकता है, क्योंकि अत्यंत पतली नमी परतें भी जंग की प्रक्रिया को शुरू करने के लिए पर्याप्त होती हैं।
ओस का निर्माण तापमान में बदलाव के कारण होता है और यह विशेष रूप से उन क्षेत्रों में केंद्रित होता है जहाँ संघनन (condensation) की संभावना सबसे अधिक होती है – जैसे कि धातुकरण (metallization) या अशुद्धियों वाले स्थान। सोल्डर अवशेष, जैसे जैविक अम्ल (organic acids) या हैलाइड लवण (halide salts), स्थानीय रूप से ओस बिंदु को घटाकर लगभग 60% सापेक्ष आर्द्रता तक ला सकते हैं।
प्रयुक्त सामग्री एक निर्णायक कारक होती है। धातुओं या धातु ऑक्साइड सतहों पर नमी की परतें लगभग 60%–70% सापेक्ष आर्द्रता पर बनती हैं, जबकि एल्यूमिनियम ऑक्साइड सिरेमिक पर ये केवल 90% RH से अधिक पर ही बनती हैं।
इसके अतिरिक्त, विद्युरासायनिक प्रवासन केवल तभी हो सकता है जब धातु या सोल्डर सामग्री क्षारीय इलेक्ट्रोलाइट में सक्रिय अवस्था में हो। कुछ धातुएँ प्रवासन की प्रवृत्ति रखती हैं, जबकि अन्य समान परिस्थितियों में अप्रभावित रहती हैं।
हर तत्व की संवेदनशीलता (susceptibility) का अलग से मूल्यांकन करना आवश्यक है।
असेंबली पर मौजूद अशुद्धियाँ – जैसे फ्लक्स अवशेष या धूल – संघनन के लिए नाभिक (condensation nuclei) के रूप में कार्य करती हैं और ओस बनने को बढ़ावा देती हैं। ये सतह पर नमी बनाए रख सकती हैं और पॉलिमर की पुनः सुखाने की प्रक्रिया (redrying) में बाधा डाल सकती हैं।
विद्युरासायनिक प्रवासन की क्रियाविधिECM की प्रक्रिया तीन मुख्य चरणों में होती है:
01 | एनोडिक मेटल डिसॉल्यूशन
असेंबली की सतहों पर बनी नमी की परत सतह प्रतिरोध (surface resistance) को कम करती है और इस प्रकार इन्सुलेशन क्षमता को घटा देती है। एक निश्चित परत मोटाई से ऊपर, इलेक्ट्रोलिसिस शुरू हो जाता है, जिससे एनोड पर स्थानीय क्षारीयता (alkalinization) बढ़ती है। इसके परिणामस्वरूप चांदी, तांबा, टिन और सीसा जैसे धातु आयन विद्युरासायनिक रूप से सक्रिय हो जाते हैं।
एनोड की सतह के घुलने (dissolution) से धातु कॉम्प्लेक्स की सांद्रता बनती है, जो सांद्रता प्रवणता (concentration gradient) के साथ फैलने लगती है।
02 | धातु आयनों का प्रवासन
आयनों की गति विद्युत क्षेत्र (electric field), अर्थात् पोटेंशियल ग्रेडिएंट (potential gradient) और सांद्रता ग्रेडिएंट (concentration gradient) द्वारा नियंत्रित होती है। पोटेंशियल ग्रेडिएंट प्रचालन वोल्टेज (operating voltage) और कंडक्टर की दूरी पर निर्भर करता है, जबकि सांद्रता ग्रेडिएंट उस दर से प्रभावित होता है, जिस पर घुले हुए धातु आयन (solvated metal ions) घुलते और फैलते हैं।
इन दोनों ग्रेडिएंट्स का अनुपात यह निर्धारित करता है कि आयन सांद्रता प्रवणता के साथ फैलते हैं या फिर विद्युत क्षेत्र के विपरीत दिशा में — मास से संपर्क बिंदु की ओर — प्रवास करते हैं।
03 | धातु आयनों का जमाव
ब्रिज (पुल) निर्माण या तो कैथोड पर गैल्वैनिक जमाव (galvanic deposition) के माध्यम से होता है, या फिर एनोड पर हाइड्रॉक्साइड्स, ऑक्सीहाइड्रेट्स या कॉम्प्लेक्स लवणों (salts) के रूप में अवक्षेपण (precipitation) द्वारा।
ब्रिज की संरचना आयन की सांद्रता और विद्युत क्षेत्र की तीव्रता (field strength) पर निर्भर करती है – यह या तो डेंड्राइट जैसी शाखायुक्त संरचना ले सकती है या फिर अपेक्षाकृत समतल रूप में विकसित हो सकती है।
विद्युरासायनिक प्रवासनवोल्टेज ब्रेकडाउन से अंतर और प्रभावों का विश्लेषण
अन्य क्षति पैटर्न से ECM को अलग पहचानना
विफलताओं को लक्षित रूप से संबोधित करने के लिए, विद्युरासायनिक प्रवासन (ECM) को वोल्टेज ब्रेकडाउन या घटकों पर होने वाले ग्रैफिटाइज़ेशन जैसी अन्य विफलताओं से अलग पहचानना आवश्यक है।
वोल्टेज ब्रेकडाउन मुख्यतः सोल्डर रेसिस्ट में मौजूद सूक्ष्म छिद्रों (pores) के कारण होते हैं, जो इन्सुलेशन क्षमता को घटा देते हैं।
ग्रैफिटाइज़ेशन तब होता है जब किसी घटक की जैविक कोटिंग की इंसुलेटिंग क्षमता बहुत कम होती है। इसका कारण भी अक्सर उसी प्रकार की छिद्रता (porosity) होती है, जिसे कोटिंग के अनुकूलन (optimization) के माध्यम से दूर करना आवश्यक होता है।
विद्युरासायनिक प्रवासन के परिणाम
विफलता या गड़बड़ी के मामलों में यह साबित करना कि कारण विद्युरासायनिक प्रवासन (ECM) है – अक्सर कठिन होता है या केवल बड़े प्रयासों से ही संभव होता है।
छोटी ओस-जमने की अवधि (dew times) के दौरान छोटे-छोटे डेंड्राइट्स बनते हैं, जो अधिक करंट वहन नहीं कर सकते और तुरंत जल जाते हैं। इससे उपयोगकर्ता असंतोष और संभावित रूप से उच्च अनुवर्ती लागतें उत्पन्न हो सकती हैं।
इसका प्रमाण प्राप्त करने के लिए अक्सर जटिल जांच की आवश्यकता होती है, जो लॉजिस्टिक रूप से चुनौतीपूर्ण होती है। परिणामस्वरूप, फ़ील्ड में होने वाली ECM-विफलताएँ अक्सर अनपहचानी रह जाती हैं और अन्य समस्याओं – जैसे सॉफ़्टवेयर त्रुटियों या लीकेज करंट – के साथ मिश्रित हो जाती हैं।
हालांकि, यदि लगातार डेंड्राइट्स बनते हैं, तो कुछ ही समय में कई सौ डिग्री सेल्सियस का तापमान उत्पन्न हो सकता है। यदि पर्याप्त सुरक्षा उपाय नहीं हैं, तो यह आग लगने का कारण बन सकता है और सर्किट को पूरी तरह से नष्ट कर सकता है।
इसके बाद यह तय करना अक्सर अटकल का विषय रह जाता है कि वास्तविक कारण विद्युरासायनिक प्रवासन था या विद्युत ब्रेकडाउन।
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